Izgalmas eredmények utalnak a Standard Modell hiányosságaira

Száz méterrel a felszín alatt, a Svájci-Francia Alpok lábánál, Genf határában helyezkedik el a Nagy Hadronütköztető (LHC). Az LHCb detektor a b-kvarkok tanulmányozására szakosodott, és az ALICE, az ATLAS és a CMS mellett az egyike a CERN négy óriás kísérletének, amelyek a természet legalapvetőbb kérdéseire keresik a választ. Ha az ősrobbanás egyenlő mennyiségű anyagot és antianyagot termelt, miért áll a mai világegyetem csak anyagból? Mi a sötét anyag? Hogyan köti össze az erős kölcsönhatás az atommagban lévő elemi kvark és gluon részecskéket?

Napjainkban egyre pontosabb méréseknek vetik alá a részecskefizika Standard Modelljét a CERN-ben. A modell egyik érzékeny ellenőrzése az elektronok és nehezebb testvéreik, a müonok és a tau leptonok, vagyis gyűjtőnéven leptonok viselkedését vizsgálja, és azt mutatja, hogy a leptonok viselkedése jelentősen eltérhet a korábban feltételezettől. A Standard Modell szerint ugyanis a különböző típusú leptonoknak ugyanúgy kellene viselkedniük (eltekintve a tömegük különbözőségéből adódó hatásoktól). Ezt lepton univerzalitásként is szokás emlegetni.

Az egyre nagyobb adatmennyiség és a mérési technológiák fejlődése segít a fizikusoknak nagy pontossággal bizonyítani, hogy a Standard Modell ezen alapvető eleme kiigazításra szorul-e.

A korábbi, részleges adatokon alapuló LHCb mérések már utaltak erre. Az ELTE Fizikai Intézete nemrég csatlakozott a Felsőoktatási Intézményi Kiválósági Program támogatásával az LHCb nemzetközi együttműködéshez, így már az ELTE Atomfizikai Tanszék kutatói is hozzájárultak ehhez az izgalmas eredményhez.

Az LHCb célja, hogy pontosan tanulmányozza a c- és b-kvarkok milliárdjainak bomlását. A b-kvarkok élettartama éppen elegendő, hogy az LHCb detektor belsejében tudjuk bomlásaikat tanulmányozni.  A részecskefizika Standard Modellje pontos előrejelzéseket ad a különböző folyamatokra, amiket a mérések szinte mindig pontosan igazolnak. Érdekes módon az eddigi kevés kivétel többsége a b-szektorból származik, amit együttesen „íz-anomália” néven emlegetnek, mivel a kvarkok típusát (u, d, c, s, b, t) azok ízének mondják. 

A 2021-es Moriond Electroweak konferencián az LHCb Együttműködés a 2011-2018 között gyűjtött összes rendelkezésre álló adattal végzett mérési eredményeket mutatta be, mely szerint

a b-kvarkokat tartalmazó B+ részecskék vizsgált bomlásai során a legkönnyebb elektronok és a nehezebb müon testvéreik jelentősen eltérő számban keletkeznek, azaz sértik a Standard Modell előrejelzését a leptonok egyetemes viselkedésére.

Ez fontos mérföldkő a SM-en túli új fizika keresésében, bár az eredmény statisztikai jelentősége (3,1 szigma) még nem éri el a felfedezéshez megkövetelt bizonyosságot. A jelenlegi pontosság 0,1% körüli esélyt ad arra, hogy a mért adatok összhangban vannak a SM előrejelzésével.

Az LHCb új eredménye, minden eddiginél pontosabban adja meg az elektron-pozitron párokat és a müon-antimüon párokat tartalmazó bomlások gyakoriságának hányadosát: RK = R(B+ →  K+ μ+ μ–) / R(B+ →  K+ e+ e–).  Ez az eredmény arra utal, hogy az elektronok és nehezebb társaik különböző erősséggel vesznek részt a vizsgált folyamatban, ami ellentmond a SM előrejelzésének.

"Ha beigazolódna, hogy a lepton-univerzalitás nem valósul meg a természetben, akkor egy új fizikai folyamatra lenne szükség, például egy új alapvető részecskére vagy kölcsönhatásra" - mondja Chris Parkes, az LHCb szóvivője, a Manchesteri Egyetem és a CERN munkatársa. „Folyamatban van más érintett folyamatok tanulmányozása a meglévő LHCb adatok felhasználásával. Izgatottan várjuk, hogy ezek megerősítik-e a jelenlegi érdekfeszítő eredményeket.”

Az RK eredmény szorosan kapcsolódik a b → s kvark átmenetek számos más anomáliájához. Biplab Dey, az Atomfizikai Tanszék adjunktusa által vezetett ELTE LHCb csoport aktívan részt vesz e folyamatok tanulmányozásában.

A nehéz b- és c-kvark rendszerek mérése új távlatokat nyitott az "egzotikus" hadronok - kvarkokból felépülő ritka összetett részecskék - vizsgálatában, amelyek nem jelennek meg az erős kölcsönhatás jelenlegi hagyományos modelljein belül. A  minket körülvevő anyag vagy két (mezon) vagy három (barion) kvarkból felépülő mikrorészecskékből áll, de nem négy vagy öt kvarkból. Az első pentakvark-jelöltek 2015-ös felfedezése az LHCb részéről ezen nem konvencionális anyagformák mintegy öt évtizedes kísérleti kutatásának csúcspontját jelentette. Az alábbi ábra pillanatképet ad az LHC-n felfedezett új (mind hagyományos, mind egzotikus) hadron részecskékről. A felfedezések többségét az LHCb érte el, az új részecskék bonyolult többszörös bomlásának hatékony rekonstrukciója révén.

Kvarkokból álló új részecskék felfedezésének idővonala a Nagy Hadronütköztetőn.

E hadronok tulajdonságainak - tömeg, szélesség, spin és paritás - tanulmányozásával a fizikusok megfejthetik azokat a mintázatokat, amelyek végső soron segítenek az erős kölcsönhatás modellezésében. Az ELTE csoport további egzotikus állapotok felkutatását vezeti az LHCb-n, különösen azokra az elemzésekre koncentrálva, amelyek összekapcsolják a hadron spektroszkópiát az íz-anomáliákkal.

Előretekintve, a továbbfejlesztett LHCb detektor a következő évtől kezdi újra az adatgyűjtést, amikor az LHC megkezdi 3. adatgyűjtési periódusát. Ezt további fokozatos fejlesztések követik az elkövetkező tíz évben a nagy intenzitású LHC korszakhoz. A végső cél a jelenleginél körülbelül százszor több adat összegyűjtése, ami lehetővé teszi majd, hogy feloldjuk vagy megerősítsük a megfigyelt íz-anomáliákat, valamint feltérképezzük az egzotikus hadronok teljes spektrumát.   

A CERN-ben működő kutatócsoport.